深部煤層開采瓦斯賦存規律與災害防治

李 晨

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治046600）

據資料統計，我國主要煤礦全部都是瓦斯礦井，其中低瓦斯礦井占53.5%，高瓦斯礦井占29.5%，煤與瓦斯突出礦井占17%，而瓦斯事故一直是礦井災害事故中最嚴重的事故之一。近年來，隨著開采深度的增加，煤礦瓦斯防治的難度也在急劇增加，由于深部的煤層處于高地壓和高煤層瓦斯壓力的環境中，危險程度劇增，并且與淺部瓦斯有明顯的差別，因此深部煤炭的瓦斯問題將更加嚴重。在如此復雜的地質環境中，深部瓦斯的賦存特征十分復雜，礦井絕對瓦斯涌出量增加，深部煤層瓦斯含量監測困難，這些種種不安全因素都會給煤礦安全生產帶來隱患，因此對此對于深部煤炭資源開采中瓦斯賦存規律的研究與災害防治具有十分重要的意義。

1 深部煤層瓦斯賦存特征

1.1 煤層瓦斯賦存

瓦斯在一定的壓力狀態下，主要以游離和吸附兩種狀態賦存于煤巖體中。游離狀態的瓦斯分子與吸附狀態的瓦斯分子處于不斷的交換之中，在一塊完整的煤巖體內兩者處于一種動態的平衡，這種平衡是一種特殊的平衡，一旦外界條件發生變化，煤體中的動態平衡就會被打破，總量在變化過程中基本保持不變。在煤層內，無論是深部還是淺部，吸附狀態的瓦斯約占瓦斯總含量的80%～90%，游離狀態的瓦斯所占比例在10%～20%，但是在特殊地質條件下，游離狀態瓦斯所占的比例會大幅上升。

1.2 瓦斯賦存的影響因素

影響煤層瓦斯含量的因素比較多，除煤的形成過程中本身生成的瓦斯量有關以外，主要取決于煤層瓦斯的運動條件和保存瓦斯的能力，瓦斯的保存條件占主導地位。

（1）地質構造的影響。煤田地質構造是影響瓦斯含量的最主要因素之一，不同地質構造的瓦斯儲存能力會有顯著差異。

（2）煤層賦存條件的影響。煤的埋藏深度、煤層傾角以及煤層是否有露頭對煤層瓦斯含量有著極為密切的影響。在同一層煤田內，煤層瓦斯含量隨著深度增加而增加，它反映了煤層瓦斯由深度向地表運動的規律。而且，隨深度的增加，煤層開采越接近CH4帶，其勢必導致瓦斯含量的升高。某礦瓦斯含量與埋深關系見圖1。

圖1 某礦瓦斯安全與埋藏關系曲線

（3）煤的變質程度影響。一般來講，煤的變質程度越高，其產生和儲存的瓦斯量往往就越大。受變質程度的影響，同一煤田中煤的吸附瓦斯的能力也會相應的提高，因此在同等條件下的瓦斯儲存量會大大增加。

（4）圍巖性質影響。煤層圍巖致密、完整以及不透氣時，瓦斯容易集聚，瓦斯含量就高；反之，則不容易保存瓦斯，煤層瓦斯含量就低。

（5）水文地質條件影響。地下水活躍的地區裂隙比較發育，而且處于開放狀態，這為瓦斯的散失提供了便利的通道。因此有地下水流過的煤層，煤層瓦斯含量一般比較低。而且，地下水的流動也可以帶走大量的瓦斯，降低煤層瓦斯的含量。

1.3 深部煤層瓦斯賦存特征

影響深部煤層瓦斯賦存狀況最為明顯的因素就是煤的孔隙結構和周圍環境，特別是煤的變質程度、煤周圍的溫度和壓力。在深部煤層中，由于微孔增多及瓦斯壓力增加，提高了煤對瓦斯的吸附能力，但受溫度影響顯著，因此瓦斯含量增加梯度會逐漸趨于平緩，直至水平。

（1）煤層埋藏深度增加，地應力增加，煤的變質程度提高，真密度和視密度增加，總比孔容積會逐漸減小。煤的總比孔容積中大孔的比孔容積會逐漸減小，微孔容積所占比例反而會提高，而微孔結構是瓦斯的吸附空間，微孔空間中的瓦斯含量是煤層瓦斯的主要組成部分，微孔容積的增加會增加煤中孔隙的比表面積，這會大大提高煤層瓦斯的吸附能力。

（2）空氣溫度升高或壓力降低時，一部分瓦斯就會發生解吸，吸附狀態的瓦斯就會轉化為游離瓦斯，反之就會發生吸附，巷道中部分游離狀態的瓦斯會壓入煤層轉變為吸附狀態。煤的瓦斯含量和溫度、壓力有一定的關系，某礦一樣品煤測得的曲線見圖2。壓力相同的條件下，吸附量在一定范圍內隨煤變質程度的提高而升高，如壓力過高，等溫吸附曲線將不再遵守朗格繆爾方程。

圖2 某礦瓦斯以及附與瓦斯壓力溫度關系曲線

2 瓦斯的危害性

煤礦瓦斯的危害可總結為四大類，即瓦斯燃燒、瓦斯窒息、瓦斯爆炸和瓦斯突出。本文主要討論瓦斯爆炸的危害性。

（1）爆炸產生高溫高壓氣體。在高溫氣體的作用下，空氣遇熱會急劇膨脹，隨之產生過高壓氣體。根據計算，當空氣達到2150℃～2659℃時，爆炸壓力可高達700～1000kPa（約合7～10個大氣壓），在壓力的疊加作用下，其爆炸壓力將會更大。

（2）爆炸產生沖擊波。瓦斯爆炸會產生高壓沖擊波，有正向沖擊和反向沖擊，傳播速度極快，它能以最高2300m／s的傳播速度向外傳遞，破壞井巷、通風設施和電氣設備等，對礦井通風系統造成毀滅性破壞。

（3）火焰鋒面。瓦斯爆炸的伴生危害之一就是火焰鋒面，其主要是瓦斯爆炸時產生的氣體和爆炸沿巷道運動的化學反應帶氣體的總稱，其傳播速度范圍很廣，最大可達到2500m／s。火焰鋒面就像是沿巷道運動的活塞，把可燃氣體收集起來并點燃，這種活塞式的火焰長度從火焰鋒面最慢傳播時的幾十厘米到爆轟時的幾十米。

（4）引起煤塵連鎖爆炸。在爆炸沖擊波的作用下，將沉積在井巷四壁處的煤塵吹揚起來，煤塵同時達到爆炸濃度，瓦斯爆炸的火焰鋒面一趕到，引起煤塵爆炸。

（5）產生大量有毒有害氣體。瓦斯爆炸會產生復雜的物理化學變化，首先會降低礦井中氧含量，除產生大量的CO2和H2O外，還會生成CO、SO2等有毒有害氣體，嚴重危害井下施工人員的安全。

3 瓦斯災害的防治

對煤礦發生的瓦斯事故進行統計分析，找出其發生的一般規律，以便有針對性地采取預防措施，杜絕事故發生。除采用自動隔爆裝置意外，預防瓦斯爆炸事故的措施可歸納為三個方面：① 減少煤層或巷道瓦斯的積聚；② 控制礦井內一切高溫火源；③ 防止瓦斯爆炸災害事故擴大，對于深部煤層的開采，首先要根據深部煤層瓦斯的賦存特征，針對性地采取有效的防治措施，從而確保生產的安全進行，保證人員及財產的安全。

3.1 減少瓦斯積聚

（1）實施有效的瓦斯抽采從根本上減少煤壓瓦斯壓力和瓦斯含量。

（2）加強礦井通風管理是減少煤層或巷道瓦斯積聚最簡單有效的方法，同時還要加強瓦斯監測檢查工作，及時處理局部積存的瓦斯。

3.2 控制一切高溫火源

由瓦斯爆炸的三要素可知，在瓦斯濃度達到爆炸濃度范圍后，還必須有高溫火源才能將其引爆，因此控制高溫火源的目的就在于防止瓦斯引燃，想方設法杜絕一切火源，控制非生產必需的熱源。

3.3 防止瓦斯爆炸事故范圍擴大的有效措施

萬一發生了瓦斯爆炸事故，將事故造成的危害控制到最小的范圍，將事故造成的損失降低到最小的程度，稱之為防止爆炸事故范圍擴大的措施，亦稱為隔爆措施或限爆措施。主要措施包含以下幾個方面：① 礦井每年必須編制切實可行的《礦井災害預防與處理計劃》，并根據具體情況及時修改；② 礦井要求實行分區通風，采掘工作面都要求采用獨立通風；③ 裝有主要通風機的出風口應安裝井口防爆門；監理礦井反風設施；④ 入井人員必須按要求攜帶自救器；⑤ 建立井下避難硐室，避難硐室的規格及安全要求要符合煤礦安全規程；⑥ 設立隔爆棚；⑦ 加大資金和人員投入，事故發生后礦上救護隊要積極投入搶險救災。

4 結語

瓦斯災害防治是深部煤炭開采的重要內容之一，對于瓦斯災害要充分的了解，熟知瓦斯在煤巖體中的賦存及運動規律，采取積極有效的防治措施，確保煤礦安全生產。

〔1〕秦玉金.深部煤層瓦斯賦存特征與解吸規律研究及應用〔M〕.遼寧工程技術大學，2012：27－55.

〔2〕孫彥峰 .淺談對煤礦瓦斯治理的一點看法〔J〕.科學之友，2012（9）：57－58.

〔3〕國家煤礦安全監察局.2011年全國煤礦事故分析報告〔R〕.2012，2：4－10.